1、第三章第三章 遗传的分子基础遗传的分子基础 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学本章主要内容本章主要内容o 一一.DNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质o 二二.DNA的分子组成与结构的分子组成与结构o 三三.DNA分子的变性分子的变性o 四四.DNA分子的复性分子的复性o 五五.DNA与染色质与染色质 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学第一节第一节 DNADNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学(一一)细菌的转化细菌的转化：1928，Griffith，F肺炎双球菌感染家鼠试验肺炎双球菌感染家鼠试验(Pneum
2、ococcus)无致病力无致病力转化源转化源有致病力有致病力 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 1944年年，Avery等从等从S 菌中提取的菌中提取的DNA与与R菌混合后菌混合后，R S，且转化率与，且转化率与DNA纯度呈正相关纯度呈正相关，若将若将DNA预先预先用用DNA酶降解，转化就不发生酶降解，转化就不发生。结论是结论是:S型菌的型菌的DNA将其遗传特性传给了将其遗传特性传给了R型菌型菌，DNA是遗传物质是遗传物质。Diplococcum pneumonice DNA as genetic material 1944 Avery O.T.(Canada)1944 Avery O.
3、T.(Canada)Bachelor 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学(二)噬菌体的侵染与繁殖噬菌体的侵染与繁殖o 1952，赫尔希，赫尔希(Hershey,A.D.)等用等用32P和和35S分别标记分别标记 T2 噬菌体的噬菌体的DNA与蛋白质，感染大肠杆菌。与蛋白质，感染大肠杆菌。35S32P DNA 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 DNA is a main genetic materialDNA is a main genetic material RNA is genetic material alsoRNA is genetic material also Tobac
4、co Mosaic Virus (TMV)1952 Hershey lambdar phage cycleRII DNA SIII 1928 Griffith 1944 Avery O.T 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学q DNA作为遗传物质的优点作为遗传物质的优点(自然选择的优势自然选择的优势)o 具有自我复制的能力具有自我复制的能力 储存遗传信息量大储存遗传信息量大1kb DNA1kb DNA序列序列4 410001000 种遗传信息种遗传信息 核糖的核糖的2 OH2 OH 脱氧脱氧在水溶液中的稳定性高于在水溶液中的稳定性高于RNARNA 可以突变可以突变方便修复方便修复以求不断进
5、化以求不断进化以求稳定遗传以求稳定遗传A/T,C/G A/T,C/G 互补互补双螺旋结构双螺旋结构复制复制,转录转录遗传稳定遗传稳定 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 DNA DNA(d deoxyriboeoxyribon nucleic ucleic a acid)cid)Nucleotide(NtNucleotide(Nt)basic unit)basic unitMono-phosphate Mono-phosphate(Mp)(Mp)Nucleoside(Ns)Nucleoside(Ns)Deoxy-ribose Deoxy-ribose(Ribose)(Ribose)Base
6、Base Purin(pu)Pyrimidine(py)Purin(pu)Pyrimidine(py)(A)(T)/(U)(A)(T)/(U)(G)(C)(G)(C)普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学LL DNA 与与RNA的区别的区别l Ribosel Base：A、G、C、T/Ul D.S.&S.S.：DNA多为双链多为双链l Numbers&length：DNA链较长链较长l Stability：DNA RNA 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 脱氧脱氧核糖核糖碱基碱基磷酸磷酸Nucleotide(Nt)Nucleotide(Nt)普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学戊戊 糖
7、糖 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学PurinesPyrimidines 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 核苷的构象核苷的构象(conformation of nucleoside)(conformation of nucleoside)=C4-N9-C1-O4purinpurinpyimidinepyimidine =C2-N1-C1-O4 0o 0o 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学二、二、DNADNA的一级结构的一级结构o核酸链的简写式核酸链的简写式 5 p3 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学1、DNA 双螺旋结构模型双螺旋结构模型(DNA Double Hel
8、ix Model)(DNA Double Helix Model)1950.Chargaff A+G/T+C=1 A+G=T+C 1952.Alexander ToddNtNt NtNtNt Rich AT form&rich GC form Rich AT form&rich GC form 3,5 phosphodiester bond 三、三、DNADNA的二级结构的二级结构 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学phosphodiester bond 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学M.H.F.Wilkins&Rosalind Frankin Xray photograph of
9、 DNA Xray photograph of DNA with high quality with high quality 1952.Kings Lab.UK 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学J.D.WatsonF.H.C.Crickv 核酸的分子结构及其在遗传信息传递中的作用核酸的分子结构及其在遗传信息传递中的作用 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学2 2、DNADNA双螺旋的结构特点双螺旋的结构特点Right handed B-form DNA Double helix ModelRight handed B-form DNA Double helix Model 1.主链：
10、主链：两条长链反向平行两条长链反向平行 螺旋而成螺旋直径为螺旋而成螺旋直径为2nm2.碱基对碱基对3.螺距：为螺距：为3.4 nm4.大沟、小沟大沟、小沟 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 单链核苷酸链间按单链核苷酸链间按A、T、C、G 配对配对 以氢键方式连接成双链分子以氢键方式连接成双链分子 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学Right handed B-form DNA Right handed B-form DNA Double helix Model Double helix Model 每一单链具有每一单链具有 5 35 3极性极性 两条单链间以氢键连接两条单链间以氢键连
11、接 两条单链，极性相反，两条单链，极性相反，反向平行反向平行 以中心为轴以中心为轴，向右盘旋向右盘旋 (B-form)(B-form)双双 螺螺 旋旋 中中 存存 在在 大大 沟沟 (2.2nm)(2.2nm)小小 沟沟 (1.2nm)(1.2nm)普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学小沟大沟 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学l 碱基顶部基团裸露在碱基顶部基团裸露在DNA 大沟大沟内内l 蛋白质因子与蛋白质因子与DNA 的特异结合依赖于的特异结合依赖于 氨基酸与氨基酸与DNA 间的氢键的形成间的氢键的形成l 蛋白质因子沿蛋白质因子沿大沟大沟与与DNA形成专一性形成专一性 结合的机率与多
12、样性结合的机率与多样性高于沿小沟高于沿小沟的结合的结合l 大沟的空间大沟的空间更有利于与蛋白质的结合更有利于与蛋白质的结合 DNADNA双螺旋中的大沟与小沟双螺旋中的大沟与小沟 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学3.影响影响双螺旋结构双螺旋结构稳定性的因素稳定性的因素 碱基堆积的棒状实体碱基堆积的棒状实体 l 氢键氢键(Hydrogen bond 46 kc/mol)(Hydrogen bond 46 kc/mol)消除消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力单链上磷酸基团间的静电斥力 弱键弱键,可加热解链可加热解链氢键堆积氢键堆积,有序排列有序排列(线性线性,方向方向)l 磷酸酯键磷酸酯键(
13、phosphoester bond 8090 kc/(phosphoester bond 8090 kc/mol)mol)l 0.2 mol/L Na0.2 mol/L Na+生理盐条件生理盐条件 强键强键,需酶促解链需酶促解链 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学l 碱基堆积力碱基堆积力(非特异性结合力非特异性结合力)3.4A 磷酸骨架磷酸骨架,氨基氨基,酮基周围水分子间的有序排列酮基周围水分子间的有序排列 Van de waals force(1.7A/嘌呤环与嘧啶环作用半径)(0.34 nm/碱基对间距碱基对间距)疏水作用力疏水作用力(Hydrophobic interaction)不
14、溶于水的非极性分子在水中相互联合不溶于水的非极性分子在水中相互联合,成成串结合的趋势力即为熵串结合的趋势力即为熵 Entrophy(S)普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学l 磷酸基团间的静电斥力磷酸基团间的静电斥力 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学DNA二级结构的多态性二级结构的多态性Z-DNAZ-DNAA-DNAB-DNA 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 三链螺旋结构三链螺旋结构o B-DNA的大沟处，一条的大沟处，一条DNA链链与与DNA双螺旋结构中的一条链结双螺旋结构中的一条链结合而成；合而
15、成；B-DNA与其自身的一条链结与其自身的一条链结合形成分子内三链合形成分子内三链DNA；B-DNA中与第三链相结合的中与第三链相结合的这条链必需含有一段连续的嘌呤这条链必需含有一段连续的嘌呤核苷酸序列，为核心链。核苷酸序列，为核心链。稳定性较差稳定性较差 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学四链四链DNAo G四联体（四联体（G-quarter）为基本单位，即四个鸟嘌呤为基本单位，即四个鸟嘌呤在一个正方形平面内以氢键在一个正方形平面内以氢键环形连接而成。环形连接而成。位于染色体末端，可能起位于染色体末端，可能起着稳定染色体，参与端粒着稳定染色体，参与端粒DNA的复制等功能。的复制等功能。普
16、通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学DNA的超螺旋结构的超螺旋结构 某种因素的影响下，正常某种因素的影响下，正常B-DNA分子双螺旋额外少转或分子双螺旋额外少转或多转几圈，使每圈的碱基对数目大于或小于多转几圈，使每圈的碱基对数目大于或小于10，DNA分子分子双螺旋空间改变，分子内产生额外张力。双螺旋空间改变，分子内产生额外张力。DNA分子产生扭曲，缓解张力，造成超螺旋结构（分子产生扭曲，缓解张力，造成超螺旋结构（supercoil）负向超螺旋、正向超螺旋负向超螺旋、正向超螺旋 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学o 超螺旋结构的生物学意义超螺旋结构的生
17、物学意义 反映反映DNA结构的多样性，介导结构的多样性，介导DNA结构的结构的 变化，变化，为其功能发挥提供条件；为其功能发挥提供条件；DNA复制、重组，以及基因的表达调控；复制、重组，以及基因的表达调控；使使DNA形成高度紧密的状态，得以容纳在有效空间。形成高度紧密的状态，得以容纳在有效空间。普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 D.S.DNAS.S.DNA (加温加温,极端极端pH,尿素尿素,酰胺酰胺)第三节第三节 DNA分子变性分子变性 (DNA denaturation)DNA变性变性：天然的有规则的双链天然的有规则的双链DNA分子分子，在被加热在被加热 或某些试剂的作用下或某些试剂
18、的作用下，氢键和碱基间堆积力受到破坏氢键和碱基间堆积力受到破坏，逐步变为单链线型状态的过程，又称熔解逐步变为单链线型状态的过程，又称熔解。普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学变性过程的表现：变性过程的表现：S.S.DNA粘度降低粘度降低DNADNA热变性过程热变性过程 电子显微镜下的电子显微镜下的DNADNA分分子的部分变性子的部分变性 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学D.S DNA S.S DNA 粘度降低粘度降低？溶液粘度取决于分子流动过程中的内摩擦和阻力溶液粘度取决于分子流动过程中的内摩擦和阻力高分子溶液高分子溶液 普通溶液普通溶液线状分子线状分子 不规则线团不规则线团 球形分子
19、球形分子D.S.DNA 钢性较强，结构较为舒展的钢性较强，结构较为舒展的 Double helix S.S.DNA 没有氢键的支撑没有氢键的支撑 由螺旋结构向折叠和线团结构转变由螺旋结构向折叠和线团结构转变D.S DNA S.S DNA 粘度降低粘度降低 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学变性过程的表现变性过程的表现 S.S.DNA 沉降速度加快沉降速度加快 S.S.DNA分子的分子的A 260 nm UV 值上升值上升增色效应增色效应(Hyperchromicity)：指由指由DNA变性而引起的光吸收值的增加。变性而引起的光吸收值的增加。普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 影响影响
20、Tm值的因素值的因素 1、DNA分子的碱基组成分子的碱基组成 GC%含量相同的情况下含量相同的情况下GC%愈高愈高 Tm值愈大值愈大，GC%愈低愈低 Tm 值愈小值愈小 AT形成变性核心，变性加快，形成变性核心，变性加快，Tm 值小值小 熔解温度熔解温度（Tm）：）：50的DNA双螺旋结构被破坏 的温度，一般在8595。普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 大片段大片段D.S.DNA分子之间比较分子之间比较片段长短对片段长短对Tm值的影响较小值的影响较小,与组成和排列相关与组成和排列相关 小于小于100bp 的的 D.S DNA分子比较分子比较片段愈短，片段愈短，变性愈快，变性愈快，Tm值愈
21、小值愈小3、变性液中含有尿素，酰胺等变性液中含有尿素，酰胺等尿素，酰胺与碱基间形成氢键尿素，酰胺与碱基间形成氢键 改变碱基对间的氢键改变碱基对间的氢键 Tm 值值 可降至可降至40左右左右 2、DNA分子的长度分子的长度 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学4、DNA溶液的离子强度溶液的离子强度（盐浓度的影响）（盐浓度的影响）单链单链DNA主链的磷酸基团主链的磷酸基团负电荷的静电斥力负电荷的静电斥力两条单链两条单链DNA的分离的分离 Na+在磷酸基团周围形成的电子云在磷酸基团周围形成的电子云对静电斥力产生屏蔽作用对静电斥力产生屏蔽作用减弱静电斥力减弱静电斥力 普通遗传学普通遗传学 长江大学长
22、江大学 pH 12 酮基酮基 烯醇基烯醇基pH 2-3NH2 NH2+(质子化质子化)改变氢键的形成与结合力改变氢键的形成与结合力5、pH 值（值（极端极端pH条件的影响条件的影响）一切减弱氢键、碱基堆积力的因素一切减弱氢键、碱基堆积力的因素 均将使均将使Tm 值降低值降低 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学D.S DNAS.S DNADenaturation Renaturation 复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞(Depends on the collision of complementary S.S.DNA)第四节第四节 DNADNA分子的复性
23、分子的复性(anneal or renaturation)o DNA复性复性：变性的单链变性的单链DNA在一定的条件下又恢复在一定的条件下又恢复 为原天然双链为原天然双链DNA的过程，也叫退火。的过程，也叫退火。普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 影响影响DNA复性过程的因素复性过程的因素：1、阳离子浓度阳离子浓度（盐浓度）0.18 0.2M Na+可消除可消除polydNt 间的静电斥力间的静电斥力2、复性反应的温度、复性反应的温度 Tm-25(60-65)以消除以消除S.S.DNA 分子内的部分二级结构（氢键）分子内的部分二级结构（氢键）3、S.S.DNA分子的长度分子的长度S.S.D
24、NA愈长愈长S.S.DNA愈短愈短 分子扩散愈慢分子扩散愈慢 复性愈慢复性愈慢 分子扩散愈快分子扩散愈快 复性愈快复性愈快 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 影响影响DNA复性过程的因素复性过程的因素：5、DNA 分子中分子中,dNt 的排列状况的排列状况 (随机排列随机排列,重复排列重复排列)4、S.S,DNA 的初始浓度的初始浓度 C0 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学3-ATCTATGCTGTCAT-55-TAGATACGACAGTA-35-TAGATACGACAGTA-33-ATCTATGCTGTCAT-53-ATATATATATAT-55-TATATATATATA-33-
25、ATATATATATAT-55-TATATATATATA-35-TATATATATATA-33-ATATATATATAT-53-ATATATATATAT-55-TATATATATATA-3 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学o复性的过程复性的过程 单链单链DNA彼此不断随机碰撞，具互补关系的部位进行彼此不断随机碰撞，具互补关系的部位进行碱基配对，产生短的双螺旋区；碱基配对，产生短的双螺旋区；双螺旋区沿着两条单链配对延伸形成双链双螺旋区沿着两条单链配对延伸形成双链DNA分子；分子；DNA复性服从化学动力学的二级反应复性服从化学动力学的二级反应 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学六、六、D
26、NA的分子杂交（的分子杂交（hybridization）o DNA的分子杂交：的分子杂交：不同来源的不同来源的DNA变性后，混合一起，含有碱基互补变性后，混合一起，含有碱基互补配对的序列，在一定条件下退火形成杂合双链结构的过程。配对的序列，在一定条件下退火形成杂合双链结构的过程。o 杂交方法：杂交方法：Southern 杂交、杂交、Northern 杂交、杂交、o 作用：作用：基因鉴定基因鉴定 鉴别鉴别 识别亲缘关系远近识别亲缘关系远近 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 Southern 杂交（杂交（Southern（1975）建立）建立）将将DNA固定在滤膜上，用标记好的同位素固定在滤
27、膜上，用标记好的同位素DNA探针探针与之杂交，通过放射自显影显示与探针互补的区带，识别与之杂交，通过放射自显影显示与探针互补的区带，识别特异序列。特异序列。普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学o Northern 分子杂交分子杂交 与与Southern 分子杂交相对应；分子杂交相对应；将将RNA固定在滤膜上固定在滤膜上，用，用DNA探针与之杂交。探针与之杂交。普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学DNA芯片、芯片、DNA微阵列微阵列 DNA chip，DNA microarray 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 普通遗传学普通遗传学 长江大学长
28、江大学第五节第五节 DNADNA与染色质与染色质Histone octamer 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学 DNA DNA压缩压缩7 7倍倍压缩压缩6 6倍倍压缩压缩4040倍倍压缩压缩5 5倍倍共计压缩共计压缩84008400倍倍 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学chromatinDNA double helixhistone DNA压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍共计压缩共计压缩84008400倍倍 普通遗传学普通遗传学 长江大学长江大学o DNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质o DNA的基本组成成分的基本组成成分o DNA的一级和二级结构的一级和二级结构o DNA在体内稳定存在的因素在体内稳定存在的因素o DNA的变性和复性，核酸分子杂交的变性和复性，核酸分子杂交o DNA双螺旋分子到染色质的组装双螺旋分子到染色质的组装Summary
